JP2007231758A - ディーゼルエンジンの排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気中のＰＭを捕集するＤＰＦの再生時に、煤を確実に燃焼させる。
【解決手段】 ＤＰＦに担持されている触媒の劣化に伴って、ＰＭ中のＳＯＦの燃焼温度が上昇する。その一方、ＰＭ中の煤（Ｓｏｏｔ）の燃焼温度はあまり変化しないが、劣化が進むと上昇する。そこで、ＳＯＦの燃焼温度を検出し、所定のしきい値を超えたときに、煤を燃焼させるための再生目標温度を上昇させる。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、排気通路に排気中の微粒子を捕集するフィルタを備えるディーゼルエンジンの排気浄化装置に関し、特にそのフィルタの再生技術に関する。

従来、特許文献１に示されるように、排気通路に微粒子捕集用フィルタを配置し、所定の再生条件にてフィルタの温度を上昇させる再生処理を行ってフィルタに捕集されている微粒子を燃焼除去することが行われている。
特開２００１−３４２８１９号公報

ところで、フィルタに捕集される微粒子には、不溶成分である煤の他、未燃炭化水素（ＨＣ）等のＳＯＦ（可溶性有機物質；Soluble Organic Fraction）が含まれており、これらの成分はそれぞれ燃焼温度が異なる。
すなわち、ＳＯＦは、比較的低温で燃焼することから、通常運転中にも除去可能であるが、煤は、高温でないと燃焼しないので、所定の再生条件にてフィルタの温度を所定の再生目標温度まで上昇させる必要がある。

また、フィルタの劣化、詳しくはフィルタに担持されている触媒の劣化に対し、ＳＯＦの燃焼温度は比例的に上昇するが、煤の燃焼温度はさほど影響を受けない。しかし、触媒の劣化がある程度進むと、煤の燃焼温度をより高くする必要があることが、本発明者らの検討によって明らかとなった。
本発明は、このような検討結果を踏まえ、フィルタの劣化状態を的確に捉えて、フィルタ再生時の煤の燃焼を確実ならしめるようにすることを目的とする。

このため、本発明は、フィルタに捕集されている微粒子中のＳＯＦの燃焼温度を検出し、これに応じて、微粒子中の煤を燃焼させるための再生目標温度を変更する構成とする。

本発明によれば、ＳＯＦの燃焼温度に基づいてフィルタの劣化状態を正確にとらえることができ、これに応じて、フィルタ再生時の目標温度を変更することで、フィルタが劣化しても、煤を確実に燃焼させることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すディーゼルエンジンのシステム図である。
ディーゼルエンジン１の吸気通路２には可変ノズル型の過給機３の吸気コンプレッサが備えられ、吸入空気は吸気コンプレッサによって過給され、インタークーラ４で冷却され、吸気絞り弁５を通過した後、コレクタ６を経て、各気筒の燃焼室内へ流入する。燃料は、コモンレール式燃料噴射装置により、すなわち、高圧燃料ポンプ７により高圧化されてコモンレール８に送られ、各気筒の燃料噴射弁９から燃焼室内へ直接噴射される。燃焼室内に流入した空気と噴射された燃料はここで圧縮着火により燃焼し、排気は排気通路１０へ流出する。

排気通路１０へ流出した排気の一部は、ＥＧＲガスとして、ＥＧＲ装置により、すなわち、ＥＧＲ通路１１によりＥＧＲ弁１２を介して、吸気側へ還流される。排気の残りは、過給機３の排気タービンを通り、これを駆動する。
ここで、排気通路１０の排気タービン下流には、排気浄化のため、酸化触媒１３、吸着型ＮＯｘ触媒１４、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ（以下「ＤＰＦ」という）１５を設けてある。

酸化触媒１３は、排気中のＨＣ、ＣＯを酸化処理する。
吸着型ＮＯｘ触媒１４は、排気中のＮＯｘを吸着するもので、リッチ雰囲気にてＮＯｘを脱離浄化可能である。
ＤＰＦ１５は、排気中の微粒子（Particulate Matter；以下「ＰＭ」という）を捕集するもので、再生時のＰＭの燃焼を促進するために触媒が担持されている。

エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０には、エンジン１の制御のため、図示しないエンジン回転数センサ、アクセル開度センサ、吸入空気量検出用エアフローメータからの信号の他、酸化触媒１３上流に設けられた排気温度センサ２１、ＤＰＦ１５入口側の排圧を検出する排圧センサ２２、ＤＰＦ１５の温度（ＤＰＦ１５出口側の排気温度）を検出するＤＰＦ温度センサ２３、ＤＰＦ１５出口側に設けられて排気空燃比を検出するλセンサ２４などからの信号が入力されている。

ＥＣＵ２０は、これらの入力信号に基づいて、燃料噴射弁９による燃料噴射の燃料噴射量及び噴射時期制御のための燃料噴射弁９への燃料噴射指令信号、吸気絞り弁５への開度指令信号、ＥＧＲ弁１２への開度指令信号等を出力する。
ここにおいて、ＥＣＵ２０では、ＤＰＦ１５の再生や、吸着型ＮＯｘ触媒１４の再生（ＮＯｘ脱離浄化及び硫黄被毒解除）のための制御を行うようにしており、かかる再生制御について、以下に詳細に説明する。

図２〜図９はＥＣＵ２０にて実行されるＤＰＦ及びＮＯｘ触媒の再生制御のフローチャートであり、所定時間毎に繰り返し実行される。
先ず図２のメインフローチャートから説明する。
Ｓ１では、エンジン回転数センサやアクセル開度センサから、エンジンの運転状態を読込む。

Ｓ２では、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ堆積量を検知する。ＮＯｘ堆積量の検知は、例えば、特許第２６００４９２号公報の第６頁に記載されているＮＯｘ堆積量の計算のように、エンジン回転数の積算値や走行距離の積算値から推測する計算方法を用いればよい。
Ｓ３では、ＮＯｘ触媒の硫黄堆積量を検知する。硫黄堆積量の検知は、上記のＮＯｘ堆積量の計算と同様に、エンジン回転数の積算値や走行距離の積算値から推測する計算方法を用いればよい。

Ｓ４では、ＤＰＦのＰＭ堆積量を検知する。ＤＰＦのＰＭ堆積量を直接検知することは困難であるので、ＤＰＦ入口側の排圧をモニタすることで、ＰＭ堆積量を予測する。ＰＭ堆積量が増えれば、当然に排圧が上昇するからである。また、前回の再生からのエンジン回転数や走行距離の積算と排圧とを組み合せてＰＭ堆積量を検知するのも一つの方法である。

Ｓ５では、ＤＰＦ再生モード中であることを示すｒｅｇフラグが立っているかを判定する。ＤＰＦ再生モードである場合はｒｅｇフラグ＝１であるので、Ｓ１０１（図３）以降のＤＰＦ再生モードの制御へ進む。
Ｓ６では、ＮＯｘ触媒の硫黄被毒解除モード中であることを示すｄｅｓｕｌフラグが立っているかを判定する。硫黄被毒解除モードである場合はｄｅｓｕｌフラグ＝１であるので、Ｓ２０１（図４）以降の硫黄被毒解除モードの制御へ進む。

Ｓ７では、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ再生モード（リッチスパイクモード）中であることを示すｓｐフラグが立っているかを判定する。リッチスパイクモードである場合はｓｐフラグ＝１であるので、Ｓ３０１（図５）以降のリッチスパイクモードの制御へ進む。
Ｓ８では、ＤＰＦのＰＭ堆積量が所定量ＰＭ１に達して再生時期になったかを判定する。ＰＭ１に達したか否かは、ＤＰＦ入口側の排圧が、図１０に示す運転条件（エンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射量Ｑ）に応じた排圧しきい値を超えたか否かにより判定する。また、前回の再生からの走行距離が所定距離を超え、かつ排圧しきい値を超えている場合に、再生時期と判定する方法でもよい。再生時期と判定された場合は、Ｓ４０１（図６）でｒｅｇフラグ＝１として、ＤＰＦ再生要求を出す。

Ｓ９では、ＮＯｘ触媒の硫黄堆積量が所定量ＳＭ１に達して再生時期になったかを判定する。ＳＭ１に達して、硫黄被毒解除が必要と判定された場合は、Ｓ５０１（図７）でｄｅｓｕｌフラグ＝１として、硫黄被毒解除要求を出す。
Ｓ１０では、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ堆積量が所定量ＮＯｘ１に達して再生時期になったかを判定する。ＮＯｘ１に達して、ＮＯｘ再生が必要と判定された場合は、Ｓ６０１（図８）でｓｐフラグ＝１として、ＮＯｘ再生要求（リッチスパイク要求）を出す。

Ｓ１１では、ＤＰＦのＰＭ堆積量が、ＤＰＦ（これに担持されている触媒）の劣化状況に応じた再生目標温度の変更制御に有効な範囲（ＰＭ２〜ＰＭ１）になっているかを判定する。例えば、予め決められた量ＰＭ２より少ない場合は、ＳＯＦの発熱が十分得られないため、また予め決められた量ＰＭ１より多い場合は、ＳＯＦの発熱が大きくなりすぎるため、判定が難しいからである。ＰＭ２＜ＰＭ堆積量＜ＰＭ１と判定された場合は、Ｓ７０１（図９）以降の再生目標温度の変更制御へ進む。

図３はＤＰＦ再生要求（ｒｅｇフラグ＝１）時に実行されるＤＰＦ再生モードのフローチャートである。
Ｓ１０１では、ＤＰＦ再生のため、排気λを目標値に制御する。ここで、排気λの目標値はＰＭ堆積量に応じて設定し、図１１に示すように、ＰＭ堆積量が少ない場合は、目標λを大きく、ＰＭ堆積量が多い場合は、目標λを小さく設定する。目標λへの制御は、要求トルク相当の要求燃料噴射量と目標λとから目標空気量を計算し、この目標空気量を実現するように、吸気絞り弁を制御し、その上で、微調整のため、エアフローメータにより実空気量を検出し、実空気量＝目標空気量となるように、ＥＧＲ弁でフィードバック制御する。

Ｓ１０２では、ＤＰＦ温度が再生目標温度の上限値Ｔ１以上であるかを調べる。また、Ｓ１０３では、ＤＰＦ温度が再生目標温度の下限値Ｔ２以下であるかを調べる。再生目標温度は、ＤＰＦの新品状態では、例えば、下限値Ｔ２＝６００℃、上限値Ｔ１＝６２０℃に設定される。
Ｓ１０３での判定の結果、ＤＰＦ温度が再生目標温度の下限値Ｔ２以下であれば、Ｓ１０７へ進んで、噴射時期をリタード（遅角）し、排気温度を上昇させて、ＤＰＦ温度を上昇させる。また、Ｓ１０２での判定の結果、ＤＰＦ温度が再生目標温度の上限値Ｔ１以上であれば、Ｓ１０８へ進んで、噴射時期をアドバンス（進角）し、排気温度を低下させて、ＤＰＦ温度を低下させる。このような噴射時期制御により、ＤＰＦ温度を再生目標温度（下限値Ｔ２〜上限値Ｔ１）に制御する。

ＤＰＦ温度が再生目標温度（下限値Ｔ２〜上限値Ｔ１）に維持されている場合は、Ｓ１０４へ進む。
Ｓ１０４では、ＤＰＦ温度が再生目標温度に維持されている状態で、所定時間ｔdpfreg経過したかを判定する。所定時間ｔdpfreg経過すれば、確実にＤＰＦに捕集されているＰＭが燃焼除去されるので、その場合は、Ｓ１０５、Ｓ１０６へ進む。

Ｓ１０５では、ＤＰＦの再生が終了したので、噴射時期制御を停止して、ＤＰＦの加熱を停止する。
Ｓ１０６では、ＤＰＦ再生モードを終了すべく、ｒｅｇフラグを０にする。
図４はＮＯｘ触媒の硫黄被毒解除要求（ｄｅｓｕｌフラグ＝１）時に実行される硫黄被毒解除モードのフローチャートである。

Ｓ２０１では、ＮＯｘ触媒の硫黄被毒解除のため、排気λをストイキに制御する。目標λ（ストイキ）への制御は、前述のように、吸気絞り弁とＥＧＲ弁とを用いて行う。
Ｓ２０２では、ＮＯｘ触媒温度が所定温度Ｔ３以上かを判定する。例えばＢａ系のＮＯｘ触媒を用いる場合はリッチ〜ストイキ雰囲気で６００℃以上にする必要があることから、Ｔ３は６００℃以上に設定される。

Ｓ２０２での判定の結果、ＮＯｘ触媒温度がＴ３未満の場合は、Ｓ２０８へ進んで、噴射時期をリタード（遅角）し、排気温度を上昇させて、ＮＯｘ触媒温度を上昇させる。
ＮＯｘ触媒温度がＴ３以上の場合は、Ｓ２０３へ進む。
Ｓ２０３では、ＮＯｘ触媒温度がＴ３以上の状態で、所定時間ｔdesul 経過したかを判定する。所定時間ｔdesul 経過すれば、硫黄被毒が解除されるので、Ｓ２０４〜Ｓ２０７へ進む。

Ｓ２０４では、硫黄被毒解除が終了したので、ストイキ運転を解除する。
Ｓ２０５では、硫黄被毒解除モードを終了すべく、ｄｅｓｕｌフラグを０にする。
Ｓ２０６では、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ堆積量を０にし、Ｓ２０７では、ｓｐフラグを０にする。硫黄被毒解除を行うことで、ＮＯｘ触媒が長時間ストイキにさらされることにより、同時にＮＯｘ再生が行われることから、触媒の硫黄堆積量を０にするのみならず、ＮＯｘ堆積量を０にすると共に、ＮＯｘ再生要求が出ていた場合に、これを解除する意味で、ｓｐフラグを０にする。

図５はＮＯｘ再生要求（ｓｐフラグ＝１）時に実行されるＮＯｘ再生モード（リッチスパイクモード）のフローチャートである。
Ｓ３０１では、ＮＯｘの脱離浄化のためのリッチスパイクを行うため、排気λを所定の目標λに制御する。目標λへの制御は、前述のように、吸気絞り弁とＥＧＲ弁とを用いて行う。

Ｓ３０２では、リッチ化状態で、所定時間ｔspike 経過したかを判定する。所定時間ｔspike 経過すれば、ＮＯｘが脱離浄化されるので、Ｓ３０３へ進む。
Ｓ３０３では、リッチ運転を解除すると共に、リッチスパイクモードを終了すべく、ｓｐフラグを０にする。
図９はＤＰＦ再生モードでの目標温度（上限値Ｔ１、下限値Ｔ２）を変更する再生目標温度変更制御のフローチャートである。

フローチャートの説明に先立って、本制御の原理について説明する。
ＤＰＦに捕集されるＰＭには、煤（以下「Ｓｏｏｔ」という）とＳＯＦとがあるが、図１２に示されるように、ＳＯＦは比較的低温（例えば２００℃以上）で燃焼し、Ｓｏｏｔは高温（例えば６００℃以上）で燃焼する。
ここで、ＤＰＦ（詳しくはＤＰＦに担持されている触媒）の劣化に伴って、図１２に示すように、ＳＯＦの燃焼温度は次第に高くなる（例えば、２００℃→３００℃）が、Ｓｏｏｔの燃焼温度はあまり影響を受けない。しかし、触媒の劣化が更に進むと、Ｓｏｏｔも燃えにくくなり、その燃焼温度も上昇する。従って、この場合には、Ｓｏｏｔを確実に燃焼させるため、ＤＰＦ再生モードでの目標温度を高くする必要がある。

そこで本発明では、ＤＰＦの劣化により、ＳＯＦの燃焼温度が上昇することから、ＳＯＦの燃焼温度を検出し、これが所定温度（図１３中のしきい値）より高くなった時点で、再生目標温度を変更する。例えば、新品状態での下限値Ｔ２＝６００℃、上限値Ｔ１＝６２０℃から、下限値Ｔ２＝６５０℃、上限値Ｔ１＝６７０℃に変更する。
ＳＯＦの燃焼温度は、ＤＰＦ出口側の排気温度によって検出し、より具体的には、通常運転時に、予め決められた運転条件にて、ＤＰＦ出口側の排気温度のピーク値として検出すればよい。

フローチャートに沿って説明する。
Ｓ７０１では、燃料噴射量が予め決められた範囲（Ｑ２〜Ｑ１）にあるかを判定する。図１３に示すように、温度上昇に関してＳＯＦの燃焼ピークが劣化により高温側にシフトするのを検出するので、ＤＰＦ温度が単調に変化（上昇）することが望ましく、且つ急激な温度変化も好ましくないことから、燃料噴射量が予め決められた範囲にあるかを判定するのである。

Ｓ７０２では、ＤＰＦ温度が予め決められた範囲（Ｔdpf2〜Ｔdpf1）にあるかを判定する。具体的には、ＳＯＦの燃焼ピークがシフトする、例えばＴdpf2＝１５０℃からＴdpf1＝５００℃の範囲にあるかを判定する。
Ｓ７０３では、ＳＯＦの燃焼温度を、ＤＰＦ温度（ＤＰＦ出口側の排気温度）のピーク値として検出する。このピーク値は、ＤＰＦ温度の上昇履歴から求めることができる。また、温度変化の微分値をとり、この微分値が予め決められた値より大きい場合をＳＯＦの燃焼による温度ピーク値としてもよい。

Ｓ７０４では、Ｓ７０３で検出した温度ピーク値が、Ｓｏｏｔ再生目標温度の変更を要する温度Ｔdpfxまで達しているか（劣化が進行しているか）を判定する。
Ｓ７０５では、温度ピーク値が、Ｓｏｏｔ再生目標温度の変更を要する温度を超えているので、Ｓｏｏｔ再生目標温度を上昇させる。具体的には、例えば、新品状態での下限値Ｔ２＝６００℃、上限値Ｔ１＝６２０℃から、下限値Ｔ２＝６５０℃、上限値Ｔ１＝６７０℃に変更する。

本実施形態によれば、ＤＰＦに捕集されているＰＭ中のＳＯＦの燃焼温度を検出し、これに応じて、ＰＭ中のＳｏｏｔを燃焼させるための再生目標温度を変更することにより、特に、ＳＯＦの燃焼温度が予め決められた温度より高くなった場合に、再生目標温度を上昇させることで、ＤＰＦの劣化状態にかかわらず、ＤＰＦ再生時に、燃費や運転性の維持を図りつつ、Ｓｏｏｔを確実に燃焼させることができる。

また、本実施形態によれば、ＳＯＦの燃焼温度を、ＤＰＦ出口側の排気温度によって検出することで、検出が容易となる。
また、本実施形態によれば、ＳＯＦの燃焼温度を、ＤＰＦ出口側の排気温度のピーク値として検出することで、比較的簡単に検出できる。
また、本実施形態によれば、ＳＯＦの燃焼温度の検出は、予め決められたエンジン運転条件にて行うことにより、誤検出を防止できる。特に、エンジン側の負荷低下による排気温度の低下が起こるような場合に検出を中止することで、検出ミスを防止できる。

本発明の一実施形態を示すシステム図 ＤＰＦ及びＮＯｘ触媒の再生制御のメインフローチャート ＤＰＦ再生モードのフローチャート ＮＯｘ触媒の硫黄被毒解除モードのフローチャート ＮＯｘ触媒のＮＯｘ再生モードのフローチャート ＤＰＦ再生要求フラグをセットするためのフローチャート 硫黄被毒解除要求フラグをセットするためのフローチャート ＮＯｘ再生要求フラグをセットするためのフローチャート ＤＰＦの再生目標温度変更制御のフローチャート ＤＰＦ再生時期判断用排圧しきい値の特性図 再生中の目標λの特性図 ＰＭ燃焼発熱プロフィルの説明図 劣化によるＰＭ燃焼温度推移の説明図 再生目標温度変更時期把握例の説明図

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ 吸気通路
３ 過給機
５ 吸気絞り弁
９ 燃料噴射弁
１０ 排気通路
１２ ＥＧＲ弁
１３ 酸化触媒
１４ 吸着型ＮＯｘ触媒
１５ ＤＰＦ
２０ ＥＣＵ
２２ 排圧センサ
２３ ＤＰＦ温度センサ

Claims (5)

1. 排気通路に排気中の微粒子を捕集するフィルタを備える一方、所定の再生条件にて前記フィルタの温度を上昇させる再生処理を行って前記フィルタに捕集されている微粒子を燃焼除去する再生処理手段を備えるディーゼルエンジンの排気浄化装置において、
   前記フィルタに捕集されている微粒子中のＳＯＦの燃焼温度を検出し、これに応じて、前記再生処理手段により前記フィルタに捕集されている微粒子中の煤を燃焼させるための再生目標温度を変更することを特徴とするディーゼルエンジンの排気浄化装置。
2. 前記ＳＯＦの燃焼温度が予め決められた温度より高くなった場合に、前記再生目標温度を上昇させることを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
3. 前記ＳＯＦの燃焼温度を、前記フィルタの出口側の排気温度によって検出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
4. 前記ＳＯＦの燃焼温度を、前記フィルタの出口側の排気温度のピーク値として検出することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。
5. 前記ＳＯＦの燃焼温度の検出は、予め決められたエンジン運転条件にて行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のディーゼルエンジンの排気浄化装置。

Images